h3cne证书好考吗,核心交换机

交换机基本概述以太网交换机演进史数据交换方式演进以太网交换机概述交换机基本概念交换模式存储转发-存储和转发直通交互-中断碎片整理-碎片整理bub比较交换机分类基于产品划分基于APP区域划分基于网络层传输介质划分规模的APP应用上划分基于ISO的OSI划分交换机是否支持基于可管理性的划分堆栈基于APP应用角度的交换机主要性能

概要

今天主要研究学习以太网交换机的基础知识，从交换机的发展史及其工作原理进行分析，以下内容主要是自己收集的资料和自己的理解。

以太网交换机基础知识总则

以太网交换机演进史随着以太网的飞速发展，以太网交换机高性能、低成本优势不断增强。 已成为目前使用最广泛的网络设备。 早期的以太网设备，如集线器，是物理层设备，无法屏蔽冲突域和广播域，给带宽带来了巨大的浪费。 交换机作为阻断碰撞域和广播域的双层网络设备，大大提高了以太网的性能。

下面列举几个不同时代的交换机产品，看看交换机的具体发展。

阶段产品级别典型的产品传输方式应用场景第一代集线器3Com 3C16410/Ciso 1538ASIC共享局域网第2代第2层交换机Cisco 2960系列/Huawei S5700-LI系列ASIC小型局域网第3代第3层交换机Cisco 华为s 5700-ei系列ASIC中小型局域网第四代复盖型多服务交换机Cisco 6500系列/Huawei 9700系列ASIC多核CPU混合模式各种校园网城域网

通过共享总线进行通信，大家在同一个碰撞域中采用了CSMA/CD技术。 更换环

环形开关实质上是总线开关系统，其改进之处在于将总线移动到芯片而不是底板。 共享内存

共享内存结构的交换机使用大量高速RAM存储输入数据。 它还依赖中央交换引擎来提供整个端口的高性能连接，核心引擎检查每个输入包以确定路径。 此时，开关引擎成为性能突破的瓶颈。 科斯帕

业务线卡通过底板电缆连接到Crossbar芯片，Crossbar芯片集成到主引擎中。

CrossBar，也就是CrossPoint，被称为纵横开关矩阵或纵横开关矩阵。 可以很好地弥补共享内存模式的不足。

简单来说，Crossbar体系结构是一个交换机矩阵，每个CrossPoint都是一个交换机，通过控制交换机将数据传输到特定的输出。 如果交换具有n个输入和n个输出，则crossbar交换机是否具有n*(n-1 )n？ 可以看出，个CrossPoint点的矩阵随着端口数的增加，交叉点开关的数量呈几何级数增加。 Crossbar芯片的电路集成水平、矩阵控制开关的制造难度、制造成本呈几何级数增长。 因此，使用单个Crossbar交换背板的交换机只能连接有限的端口。 分布式Crossbar CLOS

每个业务线卡都连接到所有交换网板上，交换芯片集成到交换网板上，实现了交换网板和主引擎硬件的分离。 CLOS体系结构是一种多级体系结构，每个入门级交换机和每个中级交换机之间只有一个连接，每个中间级交换机正好连接到每个插座级交换机。 该体系结构的优点是可以在许多小型Crossbar交换机上实现大量输入/输出端口之间的连接，CrossPoint的数量小于或等于Crossbar体系结构n的平方，从而降低了芯片实现的难度。 以太网交换机摘要名称交换机直接来自Switch，基于MAC地址识别，对双层以太网帧进行解封装和转发表

交换机的基本概念转发表：交换机的数据帧传输方式是基于内部存储的前向数据库(fdb )表临时建立的交换路径，从数据帧的源直接到达数据的目的地地址地址学习：交换机最重要的特性之一是媒体访问控制(MAC )地址的学习，它创建用于数据传输的FDB表。 交换机容量—交换机具有高带宽的底板总线和内部交换机矩阵，交换机上的所有端口均可同时运行。 双向数据传输速率的总和称为整机交换容量，也称为背板带宽。 每个端口都是独占带宽，不影响其他端口。 交换机的三个主要功能：MAC学习、转发/过滤、消除回路

交换机模式交换机将从一个端口输入的方向数据传输到另一个端口的方式称为交换机模式。 分为以下三种。

存储传输-存储和转发的特点：交换机接收消息，数据包进入缓冲区，进行CRC循环冗馀检查，失败后丢弃。 核对表传输成功。

优点：可靠性、稳定性、无丢失数据包传输。

缺点：与直通传输相比，速度较慢，因为需要缓存和检查。

应用环境：环境严重影响数据传输链路，要求高传输质量的恶劣环境。

直通交互- Cut-Through的特点：数据进入交换机端口后，只解析前6字节，根据目标MAC地址进行查找表传输。

优优

点：转发速率快，减少延时。
缺点：通信网络中会出现垃圾包，污染环境。
适用环境：适用网络传输质量可靠，对时延有要求的网络。

碎片丢弃 - Fragmentfree

特点：这是介于前两者之间的解决方案，判断当前包大小，小于64字节直接丢弃。
优点：数据转发速率比存储转发快。
缺点：比直通慢。
适用环境：适用普通网络，一般的通信链路。

与传统网桥和集线器对比

对比网桥

延迟小：交换机基于硬转发(ASIC: Application-Specific-Integrated Circuit)，而网桥式软转发；端口多；功能强大：交换机支持丰富的网络协议，并且可以网关。

对比集线器
交换机与集线器有着本质的不同，具有无与伦比的优势，目前集线器已经逐渐推出历史舞台。

工作的层次不同：交换机工作在二层以及二层以上，集线器工作在物理层；数据传输方式不同： 集线器共享总线传输，所有端口在同一个广播域，采用广播形式。交换机每个端口处于一个冲突域，转发只在源目端口之间；带宽占用方式不同：集线器共享带宽，交换机每个端口独占带宽；传输模式不同：集线器采用半双工通信方式，交换机采用全双工通信方式。 交换机分类 根据产品划分

盒式交换机

框式交换机

根据应用区域划分 广域网交换机：主要用于移动运营商，提供通信的基础平台；局域网交换机：主要用于局域网网络，直接连接终端设备。 根据网络层次划分

核心层交换机：一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；汇聚层交换机：可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；接入层交换机：一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。 根据传输介质划分

根据传输介质、传输的速度以及交换机发展史来划分。

以太网交换机快速以太网交换机千兆以太网交换机万兆以太网交换机FDDI交换机：传输速度100Mbps，快速以太网技术之前开发出来的设备，用于老式中、小型企业的快速交换网络中。ATM交换机：用于ATM网络的交换机产品，价格昂贵，目前仅广泛用于电信、邮政网的主干网段。采用的技术是信元交换和各虚连接间的统计复用。令牌环交换机：用在以环形网络拓扑结构为基础的局域网。环上传输特点，谁有令牌谁就传输。 根据规模应用上划分 企业级交换机部门级交换机工作组交换机 根据ISO的OSI划分 二层交换机：基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。三层交换机：基于IP地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。四层交换机：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址(第二层网桥)或源/目标IP地址（第三层路由），而且依据TCP/UDP(第四层) 应用端口号。第四层交换功能就象是虚IP，指向物理服务器。它所传输的业务服从各种各样的协议，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。七层交换机：第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要用于互联网数据中心。 根据交换机可管理性划分 可管理型交换机不可管理型交换机

两者区别在于对SNMP、RMON等网管协议的支持。可管理型交换机便于网络监控、流量分析，但成本也相对较高。大中型网络在汇聚层应该选择可管理型交换机，在接入层视应用需要而定，核心层交换机则全部是可管理型交换机。

根据是否支持堆叠 可堆叠交换机不可堆叠交换机 根据应用的角度划分 电话交换机(PBX)：主要应用于电信领域，提供语音通讯。数据交换机(Switch)：应用于计算机网络。 交换机主要性能指标

背板带宽与端口速率

背板带宽：指通过交换机所有通信的最大值。端口速率：每秒通过的比特数。 10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10000Mbps

模块化与固定配置

模块化交换机：具有很强的可扩展性，可在机箱内提供一系列扩展模块，如千兆位以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。但是它的价格一般也比较昂贵。模块化交换机一般作为骨干交换机来使用。固定配置交换机：一般具有固定端口配置，比如Cisco公司的Catalyst l900/2900交换机，Bay公司的BayStack350/450交换机等。固定配置交换机的可扩充性显然不如模块化交换机，但是价格要低得多。

芯片类型

X86： 通用计算机芯片ASIC： （Application-Specific-Integrated Circuit ）NP： 专用网络处理器

单/多MAC地址类型

单MAC交换机：每个端口只有一个MAC地址多MAC交换机：每个端口捆绑有多个MAC硬件地址

单MAC交换机主要用于连接最终用户、网络共享资源或非桥接路由器，它们不能用于连接集线器或含有多个网络设备的网段；多MAC交换机的每个端口可以看作是一个集线器，而多MAC交换机可以看作是集线器的集线器。

交换机转发原理

三层交换机实质上是将二层交换机与路由器结合起来的网络设备，它既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能。

下面以BCM芯片详细介绍二三层转发原理。

二层交换机转发原理

单播转发： 分配VID：untag报文，VLAN模块进行VID分配（PVID）。如果式tag报文，根据端口的VLAN列表判断是否丢弃。源MAC地址学习：根据源MAC地址与VID（IVL模式）或者MAC地址与FID（SVL模式），查找L2_ENTRY，如果存在则更新hit位、如果已经存在且端口发生变化，则进行地址迁移更新；如果不存其则进行地址的芯片自动学习、丢弃或者上送CPU（CML决定）。目的MAC地址查找：如果匹配L2_USER_ENTRY且BPDU=1，将报文在VLAN内洪泛、丢弃或者上送CPU；如果BPDU=0，报文根据DST_MODID与DST_PORT进行转发。如果不匹配L2_USER_ENTRY，但匹配L2_ENTRY，报文根据DST_MODID与DST_PORT/TGID进行转发；如果不匹配L2_ENTRY，报文将在VLAN内泛洪。 组播转发：目的MAC地址查找如果匹配L2_ENTRY且l2mc_ptr指向L2MC，则转发到L2MC的指定端口。广播转发：地址学习阶段结束后，向VLAN内泛洪。

L2 Aging
新的源MAC地址学习或者源MAC地址查找匹配时，会设置hit位。当AGE_VAL时间到期，则会自动清除hit位。当AGE_VAL时间再次到期时，如果hit位已经处于清除状态，则删除转发表项。 三层交换机转发原理

L3 Packet Flow

L2进行目的MAC地址的L2_USER_ENTRY与L2_ENTRY查找时L3=1，那么报文将进入L3的处理流程。目的MAC为交换机的MAC地址。 SIP查找：如果不匹配L3，则不进行DIP的查找处理（可选送CPU处理）；如果匹配L3，则更新L3 hit位并进行DIP的查找处理；如果匹配L3且发生端口迁移，报文将送往CPU处理，由软件负责L3表的更新，并进行DIP的查找处理。hit可以被软件用于老化处理。DIP查找：如果匹配L3，输出索引指向ING_L3_NEXT_HOP与EGR_L3_NEXT_HOP，从ING_L3_NEXT_HOP获取DST_MODID与DST_PORT/TGID,从EGR_L3_NEXT_HOP获取报文下一跳的目的MAC地址和索引指向EGR_L3_INTF，从EGR_L2_INTF获取源MAC地址与VID，获取的信息都是由硬件用于自动替换报文的内容（SA,DA,VID）；如果不匹配L3，则搜索L3_DEFIP，最长匹配搜索算法用来匹配DIP的最长子网掩码，如果找到匹配，输出索引指向ING_L3_NEXT_HOP与EGR_L3_NEXT_HOP。

对于查找命中的报文，将进行TTL减少，IP checksum与Ethernet FCS重新计算后发送 。
对于查找未命中的报文，将丢弃或者上送CPU处理。

L3 Mulitcast

三层组播报文根据端口关联的VLAN数来决定需要复制多少份报文发送（1个VLAN需要一份）。L3(IPMC)索引指向L3_IPMC与IPMC_GROUP。

L3_IPMC指示组播报文要往哪个端口进行二层转发(L2_BITMAP)，或者三层路由(L3_BITMAP).IPMC_GROUP指示组播报文要往哪个VLAN进行转发。

IPMC_GROUP用来索引IPMC_VLAN，IPMC_VLAN用来指示报文应该被复制到哪个VLAN_ID里进行泛洪。

IPMC_VLAN有三个字段

MSB_VLAN与LSB_VLAN_BM用来组合L2位的数值标识组播报文发送目的VLAN_ID，VID的高6位由MSB_VLAN表示；VID的低6位由LSB_VLAN_BM的置位bit的位置表示（从左往右开始计算）。一条表项最多只能表示64个VLAN，由NextPrt把多条表项组成链表，来表示更多的VLAN。